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25kW SiC直流快充设计指南(第四部分):DC-DC级的设计考虑因素和仿真

2022-04-20 15:11:07 安森美(onsemi) Karol Rendek, Stefan Kosterec  阅读:
在“开发基于碳化硅的25kW快速直流充电桩”系列的这篇新文章中,我们将聚焦DC-DC双有源相移全桥(DAB-PS)零电压开关(ZVS)转换器,其简介和部分描述参见第二部分。在本部分中,我们将介绍我们的工程团队遵循的一些DC-DC级的设计过程。

初级和次级电流

低 n1/n2 比值也带来了缺点,通常需要找到一个最佳点。最突出的缺点是在低 VSEC 时 IPRIM,PEAK 和 IPRIM,RMS 较高(图 5),这意味着 SiC MOSFET 的导通电流较高。UMDednc

同时,增加 n1/n2 会导致在高 VSEC 下更高的 ISEC,PEAK 和 ISEC,RMS(图 6)。为避免磁饱和,需要在变压器设计中格外小心初级侧出现相对较高的峰值电流。UMDednc

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图 5:IPRIM,RMS 和 IPRIM,PEAK 与变压器匝数比的函数关系(VDC-LINK = 800 V,L= 720 µH)。UMDednc

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图 6:ISEC,RMS 和 ISEC,PEAK 与次级侧电压和变压器匝数比的函数关系(VDC-LINK = 800 V,L= 720 µH)。UMDednc

初级电压、次级电压和电感电压

图 7 描述了变压器绕组上的电压。这些都是需要传递给变压器制造商的值,以供他们计算所需的隔离。UMDednc

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图 7:变压器两端子间 VPRIM,PEAK 和 VSEC,PEAK 电压与次级侧电压和变压器匝数比的函数关系(VDC-LINK = 800 V,L= 720 µH)。UMDednc

同样,图 8 显示了谐振电感的电压,在这两种情况下,电压演变遵循类似的模式,两端子间的电压随着 VSEC的增加而增加。在所有情况下,电压值都保持在 1000 V 以下,对于常用电感来说不会构成问题。UMDednc

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图 8:两端子间的谐振电感电压与次级侧电压和变压器匝数比的函数关系(VDC-LINK = 800 V,L= 720 µH)。UMDednc

励磁电流

变压器励磁电流(对于给定的 LM)未因 n1/n2 的变化在整个 VSEC 工作电压范围内显示出明显变化(图 9)。UMDednc

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图 9:I与次级侧电压和变压器匝数比的函数关系(VDC-LINK = 800 V,L= 720 µH)。UMDednc

励磁电感 (LM) 评估

本章节介绍不同励磁电感值对系统性能的影响。请注意,我们使用不同的励磁电感(720 μH、300 μH 和 150 μH)执行了三个仿真系列。在此分析中,已将变压器的 n1/n2 固定为 1.2:1。UMDednc

在上一章节中,已经使用相对较高的 Lm 固定值(720 μH),评估了匝数比 (n1/n2) 对效率和其他变量的影响。如图 9 所示,该选择导致最大 IM,PEAK 低于 5 A,这似乎符合电源变压器设计中的常见经验法则,即将变压器设计为在 IM,PEAK 的值约为最大 IPRIM,PEAK(图 5 中的 82 Apeak)的 5% 至 10% 下工作。UMDednc

图 10 显示 LM 对效率的实际影响非常低,在非常高的 VSEC 下仅表现出 0.4% 的差异。正如“DAB 磁性元件设计指南”一节所述,励磁电感的实际值不是项目的关键要求,而是由磁性供应商选择,以便制造尽可能紧凑的变压器,同时满足其余要求。UMDednc

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图 10:VDC-LINK= 800 V,n1/n2 = 1.2:1 时,DAB 效率和功率损耗与次级侧电压和励磁电感的函数关系。不包括谐振电感和变压器的磁芯损耗。UMDednc

仿真得到的另一个启示是,在不同的 LM 值下,IPRIM,PEAK 和 IPRIM,RMS 几乎保持不变(图 11)。然而,次级侧的情况并非如此(图 12),在不同的 LM 值下,ISEC,PEAK 和 ISEC,RMS 分别从 91 Apeak 跃升至 109.6 Apeak、从 49 Arms 跃升至 58.7 Arms。UMDednc

通过这一观察和进一步研究,我们可以了解励磁电感如何影响变压器尺寸。ISEC,RMS 的平方增加了 1.435 倍(L= 150 µH (58.7 Arms) 相对于 LM= 720 µH (49 Arms)),这可以解释为需要以相同的因子增加导线的横截面积(如果绕组损耗保持不变)。然而,n2 (LM= 150 µH) 减小为 1/2.19,使用相同的绕组横截面积将使铜损耗降低为 1/1.52。最重要的是,n1(初级匝数)也会减小,从而进一步降低了铜损耗。UMDednc

尽管如此,这种改进可能是以加大磁芯为代价。随着 LM 的降低,IM,PEAK 增加了 4.8 倍,从 4.1 A (LM = 720 µH) 增加到 19.9 A (LM = 150 µH),如图 13 所示,而 n1(和 n2)仅减小为 1/2.19(如上所述)。应用公式 3,乘积 N · I增加,磁通密度 (B) 随之增加,这会触发对更大磁芯(增加 Ae 横截面积)的需求,以便保持合理水平的磁通密度 (B)。UMDednc

该示例说明了这几个元件的相关性,以及为什么通常要进行折衷。然而,找到变压器尺寸和 LM 之间的最佳点通常取决于磁性元件设计人员的技术和能力(如前所述)。UMDednc

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图 11:DAB IPRIM,PEAK 和 IPRIM,RMS 变化与次级侧电压和励磁电感的函数关系(VDC-LINK = 800 V,n1/n2 = 1.2:1)。UMDednc

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图 12:DAB ISEC,PEAK 和 ISEC,RMS 变化与次级侧电压和励磁电感的函数关系(VDC-LINK = 800 V,n1/n2 = 1.2:1)。UMDednc

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图 13:DAB IM,PEAK 变化 RMS 与次级侧电压和励磁电感的函数关系(VDC-LINK = 800 V,n1/n2 = 1.2:1)。UMDednc

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